Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 8, No: 2, 2011 (27-40) Electronic Journal of Machine Technologies
Vol: 8, No: 2, 2011 (27-40)
TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR
www.teknolojikarastirmalar.com e-ISSN:1304-4141
Bu makaleye atıf yapmak için
Koç R., “ Mühendislik PastiklerininAşınma Davranışlarının Deneysel Đncelenmesi” Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2011, 8(2) 27-40 How to cite this article
Koç R., “ Experimental Investigation of the Wear Behaviors Engineering Plastics” Electronic Journal of Machine Technologies, 2011, 8(2) 27-40 Makale
(Article)
Mühendislik Plastiklerinin Aşınma Davranışlarının Deneysel
İncelenmesi
Recep KOÇ
Balıkesir Üniversitesi, Edremit Meslek Yüksek Okulu Makine Programı, 10300-Edremit Balıkesir/TÜRKĐYE
Geliş Tarihi: 22.12.2010 Kabul tarihi: 22.06.2011
Özet
Bu deneysel çalışmada, poliamid 6 (PA6), döküm poliamid 6 (PA6G), poli-oksi-metilen (POM), poli-eter-eter-keton (PEEK) ve poli-etilen-tereftalat (PET) mühendislik polimerleri kullanılmıştır. Aşınma deneyleri disk-üstü-pim aşınma deney düzeneğinde gerçekleştirilmiştir. Mühendislik plastiklerinin aşınma deneylerinde üç farklı yük (60N, 80N ve 100N) ve iki farklı (0.5-1 m/s) kayma hızı kullanılmıştır. Deneyler kuru ortam şartları altında gerçekleştirilmiştir. Deneylerde AISI 1040 çeliği, karşı disk malzeme olarak kullanılmıştır. Farklı yük ve kayma hızlarında gerçekleştirilen aşınma deneylerinde PA6, PA6G, POM, PEEK ve PET mühendislik plastiklerinin sürtünme katsayıları ve özgül aşınma oranları tespit edilmiş ve sonuçları birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Elde edilen deneysel sonuçlara göre deneylerde kullanılan polimerler içinde en düşük sürtünme katsayısı ve aşınma oranı PET mühendislik polimerinde tespit edilmiştir. Mühendislik plastiklerinde kayma hızının artışı ile aşınma oranlarının ve sürtünme katsayılarının arttığı görülmüştür. PEEK, PA6G ve PET mühendislik polimerlerinde yükün artışı ile sürtünme katsayısının arttığı görülürken, PA6 ve POM mühendislik polimerlerinde yükün artışı ile sürtünme katsayısının azaldığı görülmüştür.
Anahtar Kelimeler: Mühendislik plastikleri, Aşınma, Sürtünme
Experimental Investigation of the Wear Behaviors Engineering
Plastics
Abstract
In this experimental study, polyamide 6 (PA6), casting polyamide 6 (PA6G), oxy-methylene (POM), poly-ether-ether-ketone (PEEK) and poly-ethylene-terephthalate (PET), engineering polymers are used. Wear tests were performed by pin on disc testing machine. Wear test of engineering plastics, three different loads (60N, 80N and 100N) and two (0.5-1 m/s) sliding speed used. Experiments of AISI 1040 steel, as against the disc material is used. PA6, PA6G, POM, PEEK and PET engineering plastics coefficients of friction and specific wear rates were determined and results are compared with each other. According to experimental results obtained in experiments that used polymers for the lowest coefficient of friction and wear rate was found in the PET polymer engineering. Engineering plastics with an increase in the sliding speed wear rate and friction coefficients were increased. PEEK, and PET PA6G of engineering polymers with an increased load on the coefficient of friction is increased, with an increased load in PA6 and POM engineering polymer were observed the coefficient of friction values decreases.
28
1. GĐRĐŞ
Mühendislik polimerleri ve polimer esaslı kompozitler, birbirleri ile sürtünerek çalıştığı karşı malzeme çifti olan metal ve polimerler ile birlikte yaygın olarak kullanılır. Mühendislik polimerleri, kendinden yağlama özelliklerine sahip dişli ve kam gibi makine elemanlarının seçiminde yoğun olarak kullanılır. Mühendislik polimerleri pek çok endüstriyel sektörde otomobil, elektrik, elektronik, havacılık ve ev eşyası yapımında tercih edilir [1-3].
Aşınma, katı bir yüzeyin bozulması olarak tanımlanır, genellikle yüzey ve temas maddesi veya maddeleri arasındaki hareket ilişkisinden dolayı bir süreç içerisinde malzeme kaybını içerir [4]. Çeşitli aşınma şartlarında veya abrasiv aşındırıcıya karşı kaydırıldığı zaman, katkılı polimerler genellikle katkısız polimerlerden daha kötü aşınma performansı gösterirler [5-7].
Polimerlerin aşınmasında üç temel mekanizma vardır. Bunlar, adhesiv aşınma, abrasiv aşınma ve yorulma aşınmasıdır. Ayrıca az da olsa polimerler erozyon aşınmasına maruzdurlar. Polimerlerde, metallerde görülen ve adhezyon aşınmasının şiddetli bir şekli olan yenme aşınması meydana gelmez. Bununla birlikte polimerler su-nem ile yağlanarak da çalışabilirler [8].
PA6 özellikle kaymalı makine elamanları için mühendislik malzemesi olarak kullanılır. Polimerlerin kaymasındaki bir problem bünyesine elektrik yük almasıdır. Bu problem için genel çözüm polimer içerisine karbon siyahı yada grafit ilave edilmesidir [9, 10].
Ye ve Hoplam [11], cam fiber takviyeli naylon(PA6) kompozitlerin pim-disk aşınma makinesinde, % 0.15 C’lu pürüzsüz bir çelik yüzeye karşı oda sıcaklığında kuru kayma şartları altında, sürtünme ve aşınma davranışlarını incelemişlerdir. Ayrıca bu incelemede, naylon içerisindeki cam fiberlerin kayma yönüne göre farklı yönlerde dizilmelerinin sürtünme ve aşınma davranışlarına etkisini görmek için çalışma yapılmıştır. Deney şartlarında, çelik yüzey pürüzlülüğü Ra, 0.04-0.05 µm, pime uygulanan basınç 2.4 MPa, kayma hızları 0.126, 0.168, 0.251 m/s seçilmiştir. Neticede kayma hızı arttığı zaman genel bir yönelim olarak sürtünme katsayısının arttığı bulunmuştur. Sürtünme katsayısı ortalama 0.37 değerinde ve cam fiberlerin dizilme yönlerinden hemen hemen bağımsız olduğu görülmüştür. PA 6’nın yapısında cam fiber katkısı aşınma oranını önemli bir şekilde azaltırken, sürtünme katsayısında bazı artışlar görüldüğünü açıklamışlardır.
POM, özellikleri bakımından yüksek dayanıma sahip, iyi boyutsal stabilite, düşük sürtünme katsayısı, düşük sıcaklarda bile iyi basma ve darbe dayanımı, özellikle otomatik ekipmanlarda mükemmel işlenebilme yeteneğine sahiptir. Aşınma ve sürtünme ye dirençli olan diğer bir mühendislik polimeri olan poliamid 6 (PA6) ile kıyaslandığında aşınmaya karşı özellikle de pis ve tozlu ortamlarda daha dayanıksızdır [12].
POM tesisat malzemesi olarak; çatlamaya karşı dirençli, suya ve uzun süreli yüklemelere karşı dayanıklı, sürtünmenin düşük olması ve mineral birikimini engellemek gibi özellikleri karşılayacak şekilde uzun yıllardır su ve kanalizasyon sistemlerinin çeşitli kısımlarında farklı amaçlarla kullanılmaktadır [13-16]. Lu ve Friedrich [17], farklı molekül ağırlığındaki katkısız PEEK(poli-eter-eter-keton) ve PTFE(poli-tetra-flor-etilen) katkılı PEEK karışımlarının sürtünme davranışlarını sert çeliklere karşı kuru kayma şartlarında incelemişlerdir. PEEK’in sertliği ve küre taneli özelliğinin, sürtünme performansına önemli bir etkisinin olduğunu bulmuşlardır. PEEK/PTFE karışımlarının sürtünme özellikleri ile ilgili olarak, % 15 hacim oranlı PTFE’li bir karışım için en düşük sürtünme katsayısı ölçülmüştür. % 5’den % 85 arasında çeşitli hacim oranlarında PTFE’li PEEK karışımlarının aşınma oranı katkısız PEEK’den daha düşük olmuştur. Minimum aşınma oranı değeri % 5 hacim oranlı PTFE’li PEEK polimer malzemesinde bulunmuştur.
29
Ucun ve arkadaşları [18], kaplanmış micro takımların aşınma mekanizmalarını incelemişlerdir. Kaplamalı takımların takım aşınması açısından daha iyi bir performans sağladığını gözlemlemişlerdir.
Yılmaz ve arkadaşları [19], borlanmış ve bilyalı dövülmüş demir esaslı T/M malzemelerinin aşınma ve mekanik özelliklerini incelemişlerdir. Borlanmış malzemelerin aşınma direncinin 24 kat arttığını tespit etmişlerdir.
Düzcükoğlu ve Demirci [20], Küresel grafitli dökme demirlerlerde (KGDD) östemperleme ısıl işlemi uygulanarak, KGDD numunelerin aşınma davranışlarını incelemişlerdir. Küresel grafitli dökme demirlere uygulana östemperleme ısıl işlemi malzemenin aşınma kütle kaybını azalttığını belirlemişlerdir.
Sugözü ve Mutlu [21], polimer esaslı fren balata malzemelerinin kompozisyonu ve üretim parametreleri incelenmiş, kompozisyonu oluşturan komponentlerin sürtünme ve aşınma performansı bakımından önemi literatürdeki çalışmalar derlenerek sunulmuştur.
Bu çalışmada, PA6, PA6G, POM, PEEK ve PET mühendislik plastikleri AISI 1040 çeliğine karşı pim-disk aşınma deney cihazı kullanılarak çalıştırılmıştır. Deney numunelerinin aşınma ve sürtünme özelliklerini tespit etmek için üç farklı yük ve iki farklı kayma hızı kullanılmıştır. Mühendislik plastiklerinin aşınma ve sürtünme davranışlarına uygulanan yükün ve kayma hızının etkisi araştırılmıştır. Deneylerde özgül aşınma oranı ve sürtünme katsayıları tespit edilmiş ve karşılaştırılmıştır.
2. MATERYAL VE YÖNTEM 2.1. Kullanılan Materyaller
Aşınma deneylerinde katkısız PA6, PA6G, POM, PEEK ve PET mühendislik polimerleri kullanılmıştır. Deneylerde kullanılan mühendislik plastikleri fiziksel ve mekanik özellikleri Çizelge 1’de görülmektedir. Yine deneylerde kullanılan tüm malzemelerin ticari adı ve tedarikçisi Çizelge 2’de verilmiştir. Ayrıca karşı disk malzeme olarak kullanılan AISI 1040 çeliğinin spektral analiz sonuçları Çizelge 3’de verildiği gibidir.
Çizelge 1. Mühendislik plastiklerinin fiziksel ve mekanik özellikleri [14, 15, 22]
Özellikler Test metodu PA6 PA6G POM PEEK PET
Yoğunluk (g/cm3) ISO 1183 1.14 1.15 1.41 1.31 1.41
Sertlik(HR)M ISO 2039 85 85 80 100 93
Çekme mukavemeti (MPa) ISO 527 76 82.7 64 110 85.5
Kopmadaki uzama (%) ISO 527 Min 50 20 30 20 20
Eğmedeki elastiklik modülü (GPa) ISO 187 3.25 3.45 2.7 4.14 3.38
Đzod darbe mukavemeti (kj/m2 ISO-180/1A 5.5 0.214 7 0.534 -
Çizelge 2. Deneyde kullanılan mühendislik plastikleri
Sıra No Numune Adı Ticari Adı Tedarikçisi
1 PA6 Ertalon 6 Quadrant
2 PA6G Kestamid Alhan plastik
3 POM Hostaform Ticona
4 PEEK Ketron Quadrant
30
Çizelge 3. AISI 1040 çeliğinin spektral analiz sonuçları
% C % Si % Mn % P % S
0.40 0.15 0.75 0.040(maks) 0.050(maks)
Deneyde kullanılan POM polimer numunesi, granül halde temin edilip, iki yolluklu plastik enjeksiyon kalıbında basılmıştır. Basılan pim numuneleri Şekil 1’de görülmektedir. PA6, PA6G, PEEK ve PET mühendislik polimerleri talaşlı imalat yöntemi ile Ø6x50 mm ölçülerinde pim şeklinde deney numunesi hazırlanmıştır. Diskin yüzey sertliği 42 HRC olup yüzey pürüzlülüğü Ra=0.62 µm olarak ölçülmüştür. Şekil 2’de çelik diskin yüzeyinden profilometre ile alınan yüzey pürüzlülük değeri görülmektedir.
Şekil 1. Đki yolluklu plastik enjeksiyon kalıbında basılmış pim numunesi
Şekil 2. Taşlanmış çelik diskin aşınmadan önceki yüzey pürüzlülüğü
Deneyde kullanılan katkısız PA6 Quadrant mühendislik plastik ürünüdür. “Quadrant EPP Ertalon® 6 SA Nylon 6”, ticari ürün ismiyle bulunmaktadır. Rengi doğal(beyaz)/siyah renklerde bulunur. Piyasada, granül halde, talaşlı yada enjeksiyon kalıpla işlenmiş mamul olarak bulunabilir. Temel özellikleri, çok dayanıklı, iyi kaydırıcılık özellikleri, aşınmaya karşı dirençli, elektrik yalıtkanlığına sahip, kolay şekil verme ve kolaylıkla kaynak yapılabilmesidir. Sert, rijit, kaygan, yağa ve makine yağlarına karşı dirençli, iyi mekanik dayanıma sahiptir. Kullanım alanları, silindirik dişli çarklar, dişli miller, mil yatağı, piston kılavuzu, makaralar, sürtünme mil yatağı, basınç silindirleri, flanşlar, filtre plakaları, sonsuz vidalar, mafsal parçaları, kayış yatakları ve kasnakları, vanalar ve parçaları, ray bağlantıları, teleferik ve havai hat makaraları, asansör makaraları, ve benzeri uygulamalar olarak sıralanabilir [23].
PA6G, Döküm Poliamid 6, ticari ismiyle Kestamid olarak tanınır. Bu Poliamid’in üretim metodu, kalıpta doğrudan kaprolaktam’ın polimerizasyonu ile gerçekleşir. Üretim amacı, çok kalın levhalar yada büyük halka gibi normal boyutlardan daha büyük boyutlu parçaların üretilmesidir. Özellikleri, aşınma direnci istenilen çevre şartlarında iyi, tokluğu Poliamid 6’dan üstün ve çok yüksek yorulma direncine sahiptir. Sürtünme katsayısı düşüktür ve genellikle yağlama gerektirmeyen kayma uygulamaları için tercih edilir. Dış hava şartlarına karşı dayanıklı ve yıpranma direnci düşük sıcaklıklarda iyidir. Zayıf yönleri Poliamid 6 gibi neme hassastır, havadaki nemi bünyesine alır. Ayrıca geniş boyutlu döküm parçaların moleküler
31
yapısından dolayı özellikleri, küçük boyutlu döküm parçaların sahip olduğu özelliklerden üstündür. Kullanım alanları, bu malzemelerin üretiminde geniş boyutlu parçaların elde edilmesi mümkün olduğundan, geniş çaplı dişliler, tekerlek, kamlar, makaralar, aşıntı plakaları, yataklar, kaymalı yataklar, burçlar, destek elemanlarının üretimi için mekanik alanda yaygın bir şekilde kullanılır. Yiyeceklerle temasta kullanılmazlar. Nem içermesi ile elektrik özelliklerinin değişmesinden dolayı elektrik alanında kullanımından kaçınılmalıdır. Alkali ve çözeltilere karşı dirençlidir [22].
POM, Ticona firmasının bir ürünü olup, asetal kopolimer ticari ürün ismiyle, katkısız standart enjeksiyon kalıp ürünüdür. Katkısız poliasetallerde dayanıklılık ve çarpma direnci düşüktür. Delrin, Celcon ve Hostaform ticari adları ile bulunmaktadır. Özellikleri bakımından, yüksek dayanıma sahip, boyutsal stabilitesi iyi, düşük sürtünme katsayısı, düşük sıcaklarda bile basma ve darbe dayanımı iyi, özellikle otomatik ekipmanlarda mükemmel işlenebilme yeteneğine sahip olup, rengi doğal ve siyahtır. Zayıf noktası, PA6'ya kıyasla aşınmaya karşı özellikle pis ve tozlu ortamlarda daha dayanıksızdır. Poliasetal malzemeler son zamanlarda özellikle güç ve aktarımı alanlarında metallerin yerini almakta ve dişlilerin çoğu poliasetallerden yapılmaktadır. Bulaşık makinelerinde kullanılan malzemelerin aşırı bazik olan deterjanlara karşı dayanıklı olması gerektiğinden bu amaçla asetal kopolimerler kullanılmaktadır. Konveyör ruloları gibi boyutsal stabilite ve hassas toleranslar gerektiren mekanik parçaların yapımında en çok kullanılan malzemelerden birisidir [15].
PEEK mühendislik polimer malzemesinin doğal rengi çok açık bir kahverengidir, siyah rengi de bulunabilir. Siyah renkli PEEK estetik olan yerler için idealdir. PEEK gıda ile temasa uygunluk gösterir.
Katkısız PEEK iyi aşınma direnci gösterir ve 250oC de sürekli çalışmada kullanılabilir. Fiziksel
özelliklerini kaybetmeksizin sıcak su yada buharda kullanılabilir. Çevreye zararsız olan PEEK, yüksek mukavemetli alternatif bir polimerdir. Ateşe maruz kaldığı zaman çok düşük bir duman ve zehirleyici gaz çıkarır.
Quadrant firmasının bir ürünü olup, “Ertalyte® PET” katkısız bir termoplastik polyester yarı kristal ürün ismiyle tanımlanır. Mühendislik reçineleri olan termoplastik polyesterlerden olup polietilen tereftalat (PET) olarak bilinirler. PET, POM’un boyutsal stabilitesi ile Poliamid’in aşınma direncinin özelliklerini gösterir. Hem nem hem de kuru çevre şartları için idealdir. PET yüksek mukavemet ve dayanıklılık gerektiren parçalarda tercih edilir. Kimyasal ve abrasiv aşınma direnci iyidir. Gıda işleme ve endüstri aletlerinde kullanılan parçalar için mükemmel bir polimer malzemedir. Uygulama alanları, düşük sürtünme katsayısı sayesinde özellikle kayan bloklar, rulmanlar, kılavuzlar vs. için uygundur. Boyutsal stabilite özelliği nedeniyle, hassas toleranslı parçalarda, nemli ve sıcak ortamların söz konusu olduğu durumlar için mükemmel bir seçimdir. Gıda ile temas edebilir ve gıda endüstrisinde kullanılır. PET elektrikli komponentler için uygundur. Kimyasal olarak, asitlere ve klorin çözeltilerine karşı dirençlidir. Şişirme kalıplarında bazı PET çeşitleri, yiyecek, kozmetik gibi kullanımlar için kutu, kap, şişe yapımında kullanılırlar [8, 24].
2.2. Deney Şartları
Aşınma deneyleri kuru ortam şartlarında ve laboratuvar ortamında gerçekleştirilmiş olup, her bir numunenin deney şartları Çizelge 4’de görüldüğü gibidir. Deneylerin yapılışı sırasında ortamın nemi ve sıcaklık değişimi ortalama olarak kaydedilmiştir. Ortam nemindeki farklılıkların sebebi deneyin farklı zamanlara taşmasıdır. Günün farklı zamanlarındaki sıcaklıklarında deney ortamının nemi değişmektedir. Her bir numune 0.5 m/s ve 1 m/s kayma hızında, 60-80-100 N’luk yüklerde ve 60 dakikalık kayma zamanı ile denenmiştir. Her bir deney üç kez tekrarlanarak ortalama değerler alınmıştır.
32
Çizelge 4. Deney şartları
Sıra No Numune Adı Yoğunluk (gr/cm3) Yük (N) Hız m/s Sıcaklık (oC) Nem (ortam) (%) 1 PA6 1.14 60 80 100 0.5 1 30 47 2 PA6G 1.15 60 80 100 0.5 1 33 40 3 POM 1.41 60 80 100 0.5 1 27 55 4 PEEK 1.31 60 80 100 0.5 1 27 50 5 PET 1.44 60 80 100 0.5 1 30 55
2.3. Hız ve yükün artışı ile deney yöntemi
Aşınma ve sürtünme deneyleri pim disk cihazı kullanılarak AISI 1040 çeliğine karşı gerçekleştirilmiştir. POM mühendislik plastiği granül halde temin edildikten sonra Ø6x50 mm ölçülerinde pim şeklinde enjeksiyonla kalıplanmıştır. Enjeksiyonla kalıplama ve kalıp sıcaklıkları sırasıyla 210°C ve 80 °C olacak şekilde ayarlanmıştır. Ayrıca enjeksiyon basıncı ise 100 MPa olarak ayarlanmıştır. Numuneler kalıplanmadan önce 80°C de 3 saat kurutulmuşlardır. Aşınma deneylerinden önce pim numunelerinin çelik disk ile temas edecek alın yüzeyi 1200 nolu SiC zımpara kağıdı kullanılarak temizlenmiştir. Mühendislik plastiklerini aşındıracak çelik disk AISI 1040 çeliğinden olup Ø100x10 mm ölçülerinde olacak şekilde talaşlı imalat yöntemi ile işlenmiş olup sertleştirilmiş ve taşlanmıştır.
Şekil 3’de devre şeması görülen DIN 50324 standardına göre dizayn edilmiş pim-disk aşınma cihazında gerçekleştirilmiştir.
Devre şemasında düzenekte pim-disk aşınma cihazı, hız göstergesi, ekstansometre, gerilim kuvvetlendirici, analog/dijital(A/D) çevirici entegre, monitör ve kasadan oluşan bilgisayar bağlantısı bulunmaktadır.
Çelik disk aşınma deney cihazına uygun şekilde bağlanarak yüzeyleri asetonla temizlenmiştir. Aseton ile temizleme pim numunelerin alın yüzeyleri için de uygulanmış olup, temizlemenin amacı yüzeylerde gözle görülmeyen toz, yağ, kir ve lekelerinin ortamdan uzaklaştırılmasını sağlamaktır. Deneyde kullanılacak pim numunelerinin ilk ağırlıkları ve aşınma sonrası ağırlıkları Precisa marka 0.0001 gr hassasiyetli elektronik dijital terazi ile ölçülmüştür. Ölçümler kapalı ortamda yapılmış ve en az üç kez ölçüm alınıp doğruluğu saptanarak kaydedilmiştir.
33
Şekil 3. Pim-disk aşınma deneyi devre şeması
Pim numunelerin pens tertibatlı yuvasına bağlanarak disk ile pim yüzeylerinin birbirine paralel bir şekilde temas etmesi sağlanmıştır. Aşınma cihazı hesaplanan devirde çalıştırılıp ve pimin bağlı olduğu kol, diskin üzerine yavaşça bırakılmış, sürtünme kuvveti verilerinin gerilim cinsinden alımı için aşınma programı çalıştırılmıştır. Pim numunesinin disk malzemeye temas ettirilmesiyle birlikte pimin bağlı olduğu kol, diskin dönüş yönüne göre hareket etmesi ile bu hareket ekstansometreye iletilmiştir. Ekstansometre bu salınım hareketini bağlı bulunduğu kablolarla önce gerilim kuvvetlendirici cihaza, sonra A/D çevirici entegreye, burada gerilim farkı ölçülerek bilgisayara iletilmiştir. Deneyler süresince her 2 saniyede bir veri alınmış ve bilgisayara kurulan bir program vasıtasıyla gerilim değerleri olarak kayıt edilmiştir. Bilgisayarda elde edilen gerilim değerlerinin belirlenmesi için bir dinamometre kullanılmış ve bir fonksiyon grafiği çıkartılmıştır. Bu fonksiyon grafiği ile sürtünme kuvveti değerleri bulunmuştur. Sürtünme katsayısı aşağıdaki 1 nolu formül kullanılarak kullanılarak sonuçlar kaydedilmiştir.
S N F F
µ
= (1) µ : Sürtünme katsayısı;FS : Sürtünme kuvveti (Newton);
FN : Normal kuvveti (Newton) şeklinde ifade edilmektedir.
Aşınma deneylerinde spesifik aşınma oranını bulmak için, numuneler deneyden önce ve sonra hassas terazide tartılmıştır. Aşağıdaki 2 nolu formül kullanılarak spesifik aşınma oranı hesaplanmıştır.
N m Wa S
ρ
F ∆ = × × (2)Wa : spesifik aşınma oranını,
∆m : aşınma miktarını (gram), S : kayma yolunu (mm), Ρ :yoğunluğu (gr/cm3),
FN : uygulanan normal kuvveti (newton) göstermektedir.
A/D çevirici entegre
Pim Fark A1 Ölçer A2 RS-232 Gerilim kuvvetlendirici Ekstansometre Devir ayarı ve göstergesi Motor RS-232 Disk
Pim tutucu pens tertibatı
34
3. DENEYSEL SONUÇLAR VE DEĞERLENDĐRME
Deneyde kullanılan mühendislik plastiklerinin sürtünme katsayısı ve aşınma oranlarının deneysel sonuçları Çizelge 5’de görülmektedir.
Şekil 4 ve Şekil 5, mühendislik plastiklerinin sırasıyla 0.5 m/s ve 1 m/s kayma hızlarındaki yük-sürtünme katsayısı ilişkisini göstermektedir. Her iki şekilde de görüldüğü gibi PA6 ve POM mühendislik plastik malzemelerinin sürtünme katsayısı uygulanan yükün artışı ile azalma gösterirken, PA6G, PEEK ve PET mühendislik plastiklerinin sürtünme katsayısı uygulanan yükün artışı ile artma eğilimi göstermiştir. 0.5m/s kayma hızında PA6G, PEEK ve PET mühendislik plastikleri için yük 60 N’dan 100 N’na artırıldığı zaman sürtünme katsayısındaki artış sırasıyla % 52, % 22 ve % 5 oranında artmıştır. Aynı kayma hızında PA6 ve POM mühendislik plastik malzemelerinin sürtünme katsayısı sırasıyla % 6 ve % 12 civarında azalmıştır.
Çizelge 5. Sürtünme katsayısı ve aşınma oranları
Malzemeler Yük
(N)
Hız (m/s) Hız (m/s)
0.50 1.00 0.50 1.00
Sürtünme katsayısı (µ) Aşınma oranı (m3/Nm)
PA6 60 80 100 0.32 0.30 0.30 0.40 0.37 0.37 0.97E-14 1.83E-14 2.05E-14 1.54E-14 2.13E-14 2.58E-14 PA6G 60 80 100 0.19 0.20 0.29 0.28 0.35 0.40 0.48E-14 0.54E-14 0.72E-14 1.01E-14 1.42E-14 1.57E-14 POM 60 80 100 0.26 0.25 0.23 0.28 0.27 0.26 2.36E-14 2.26E-14 2.20E-14 5.52E-14 4.78E-14 4.61E-14 PEEK 60 80 100 0.27 0.28 0.33 0.31 0.35 0.36 1.41E-14 1.32E-14 1.18E-14 1.55E-14 1.43E-14 1.27E-14 PET 60 80 100 0.18 0.18 0.19 0.19 0.19 0.21 0.13E-14 0.15E-14 0.16E-14 0.84E-14 0.68E-14 0.62E-14
Şekil 5’de görüldüğü gibi 1 m/s kayma hızında PA6G, PEEK ve PET mühendislik plastikleri için yük 60 N’dan 100 N’na artırıldığı zaman sürtünme katsayısındaki artış sırasıyla % 43, % 16 ve % 11 civarında olurken, PA6 ve POM mühendislik plastik malzemelerinde sırasıyla % 8 ve % 7 civarında azalmıştır. Görüldüğü gibi kayma hızının artışı ile sürtünme katsayısındaki artış ve azalma sıralarında bir değişiklik olmamıştır.
35 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 50 60 70 80 90 100 110 Yük (N) S ü rt ü n m e k a ts a y ıs ı (µ )
PA6 PA6G POM PEEK PET
Şekil 4. Mühendislik plastiklerinin 0.5 m/s kayma hızındaki yük ve sürtünme katsayısı ilişkisi
0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 50 60 70 80 90 100 110 Yük (N) S ü rt ü n m e K a ts a y ıs ı (µ )
PA6 PA6G POM PEEK PET
Şekil 5. Mühendislik plastiklerinin 1 m/s kayma hızındaki yük ve sürtünme katsayısı ilişkisi
Şekil 6.(a)’da PA6, Şekil 6.(b)’de PA6G, Şekil 6.(c)’de POM mühendislik plastiklerinin 60 N’luk yük ve 1 m/s kayma hızındaki kayma süresi ile sürtünme katsayısı arasındaki ilişkiyi göstermektedir. Şekillerden anlaşılacağı gibi mühendislik plastikleri karşı sürtünme malzemesine ilk dokunulduğunda sürtünme katsayıları yüksek, ilerleyen zamanlarda daha düzenli bir sürtünme katsayısı grafikleri görülmektedir. Plastik malzemeler çelik disk üzerinde yağlayıcılık, kaydırıcılık özelliklerinden dolayı çelik malzemelerle birlikte rahatlıkla kullanılabilmektedir.
36 PA6 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0 600 1200 1800 2400 3000 3600 Kayma zamanı (s) S ü rt ü n m e k at sa y ıs ı( µ ) (a) PA6G 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0 600 1200 1800 2400 3000 3600 Kayma zamanı (s) S ü rt ü n m e k at sa y ıs ı( µ ) (b) POM 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0 600 1200 1800 2400 3000 3600 Kayma zamanı (s) S ü rt ü n m e k at sa y ıs ı (µ ) (c)
Şekil 6. Mühendislik plastiklerinin sürtünme katsayısı ile kayma zamanı ilişkisi (uygulanan yük: 60 N,
37
Şekil 7.(a)’da PEEK, Şekil 7.(b)’de PET mühendislik plastiklerinin 60 N’luk yük ve 1 m/s kayma hızındaki kayma süresi ile sürtünme katsayısı arasındaki ilişki görülmektedir. Şekilde de görüldüğü gibi sürtünme esnasındaki titreşim dalga boyu, PEEK yüksek performanslı mühendislik polimeri için daha kısa, PET malzemesi içinse dalga boyu en uzun olarak görülmüştür.
PEEK 0,20 0,24 0,28 0,32 0,36 0,40 0 600 1200 1800 2400 3000 3600 Kayma zamanı (s) S ü rt ü n m e k at sa y ıs ı( µ ) (a) PET 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0 600 1200 1800 2400 3000 3600 Kayma zamanı (sn) S ü rt ü n m e k at sa y ıs ı( µ ) (b)
Şekil 7. POM ve kompozitlerinin sürtünme katsayısı ile kayma zamanı ilişkisi (uygulanan yük: 60 N, hız:
1 m/s, kayma zamanı: 3600 sn) (a) PEEK, (b) PET
Şekil 8 ve Şekil 9’da sırasıyla 0.5 m/s ve 1 m/s kayma hızlarındaki uygulanan yük ve aşınma oranı ilişkisini göstermektedir. Şekiller incelendiğinde, düşük kayma hızında PET malzemesinin aşınma oranlarında uygulanan yükün etkisi pek görülmezken, PA6 ve PA6G malzemelerinde yükün artışı ile aşınma oranı artmış, PEEK ve POM malzemelerinde yükün artması ile aşınma oranlarında azalma eğilimi görülmektedir.
38 0,0E+00 5,0E-15 1,0E-14 1,5E-14 2,0E-14 2,5E-14 50 60 70 80 90 100 110 120 Yük (N) A ş ın m a o ra n ı (m 3 /N m ) PA6 PA6G POM PEEK PET
Şekil 8. Mühendislik plastiklerinin 0.5 m/s kayma hızındaki yük ve aşınma oranı ilişkisi
0,0E+00 1,0E-14 2,0E-14 3,0E-14 4,0E-14 5,0E-14 6,0E-14 50 60 70 80 90 100 110 120 Yük (N) A ş ın m a o ra n ı (m 3 /N m ) PA6 PA6G POM PEEK PET
Şekil 9. Mühendislik plastiklerinin 1 m/s kayma hızındaki yük ve aşınma oranı ilişkisi
Şekil 8 ve Şekil 9 incelenerek bulunan bir diğer sonuçta, POM malzemesinde aşınma oranları en yüksek, PET malzemesinde aşınma oranı en düşük kalmıştır. Kayma hızının % 100 artırılması ile deneylerde kullanılan tüm polimer malzemeler için aşınma oranının yükün etkisi ile değişimlerinde önemli bir farklılık görülmemiştir. Her iki şekilde de görüldüğü gibi en yüksek aşınma oranı POM malzemesinde gözlenirken, en düşük aşınma oranı ise PET polimer malzemesinde olduğu tespit edilmiştir. Fakat
39
PA6 polimer malzemesinin 0.5m/s kayma hızındaki aşınma oranı incelendiğinde yükün %66 oranında artırılması sonucunda aşınma oranı yaklaşık olarak %100 oranında artmaktadır. Bu artış yaklaşık olarak %100 civarındadır. Kayma hızı 1 m/s artırıldığında, PA6 polimer malzemesine uygulanan yükün %66 oranında artırılması ile aşınma oranı %68 oranında artış tespit edilmiş olup, PA6G polimeri için bu artış oranı %55 civarındadır. Aynı şartlarda POM polimer malzemesinde %16 azalma, PEEK polimer malzemesinde %18 azalma, PET polimer malzemesinde %26 azalma tespit edilmiştir.
4. SONUÇLAR
Mühendislik plastiklerinin AISI 1040 çeliğine karşı farklı yük ve farklı hızlarda yapılan aşınma ve sürtünme deney sonuçları aşağıdaki gibi özetlenebilir.
1. Deneylerde kullanılan PA6 ve POM mühendislik plastik malzemelerinin sürtünme katsayısı uygulanan yükün artışı ile azalma gösterirken, PA6G, PEEK ve PET mühendislik plastiklerinin sürtünme katsayısı uygulanan yükün artışı ile artma eğilimi göstermiştir.
2. 0.5m/s kayma hızında PA6G, PEEK ve PET mühendislik plastikleri için yük 60 N’dan 100 N’na artırıldığı zaman sürtünme katsayısındaki artış sırasıyla % 52, % 22 ve % 5 oranında artmıştır.
3. Deneylerde kullanılan malzemeler içerisinde sürtünme katsayısı en düşükten en büyüğe sıralandığında aşağıdaki gibi bir sıralama çıkarılabilmektedir. PET<PA6G< POM<PEEK<PA6
4. Deneylerde kullanılan malzemelerin aşınma ve sürtünme katsayısındaki değişikliği artan yükle, hızla veya zamanla pim ve disk arasında oluşan ara tabakanın etki ettiği sonucu çıkarılabilir.
5. Benzer şekilde deneylerde kullanılan polimer malzemelerin aşınma ve sürtünme özelliklerine kayma hızı etki etmektedir.
6. PA6 polimer malzemesinin 0.5m/s kayma hızındaki aşınma oranı incelendiğinde yükün %66 oranında artırılması sonucunda aşınma oranı dikkate değer oranda artmaktadır. Bu artış yaklaşık olarak %100 civarındadır.
KAYNAKLAR
1. Lancaster JK. Wear 1990;141:159 –183.
2. Hutchings IM. Tribology friction and wear of engineering materials. London:Edward Arnold, 1992. p. 51.
3. Tewari US, Sharma SK, Vasudevan P. Rev Macromol Chem Phys 1989;C29(1):1–38
4. Hutchings I. M., “Mechanism of wear in powder technology: a review”, Powder Technology, V.76, (1993), p. 3-13
5. Rajesh J. J., Bijwe J., Tewari U. S., “Influence of fillers on abrasive wear of short glass fibre reinforced reinforced polyamide composites”, J. Material Science, 36, (2001), p. 351-356.
6. Bijwe J., Rajesh J. J., Jeyakumar A., Ghosh A. K., Tewari U. S., “Influence of solid lubricants and fibre reinforcement on wear behaviour of polyethersulphone”, Tribology Int., 33 (2000), p. 697-706. 7. Crino M., Pipes R. B., Friedrich K., “The abrasive wear behaviour of continuous fibre polymer
composites”, J. Material Science, 22, (1987), p. 2481-2492.
40
9. NEDOREZOVA, P.M., TSVETKOVA, V.I., Polymer Science Series A 39 pp. 304-309, 1997. 10. FOULGER, S.H., Journal of Polymer Science, Polymer Phys., Vol. 37, pp. 1899-1910, 1999.
11. YE, L. and HOPLAM, P., “Sliding Friction and Wear of A Continuous Glass Fibre/Nylon Composite Against Steel”, J. Of Materials Science Letters, Vol.13, pp. 1684-1687, 1994.
12. Crino M., Pipes R. B., Friedrich K., “The abrasive wear behaviour of continuous fibre polymer composites” , J. Material Science, 22, (1987), p. 2481-2492.
13. Akkurt, S., Plastik Malzeme Bilgisi, s. 96-118,193-196, Đstanbul, 1991.
14. QUADRANT., “Engineering Plastic Products”, www.quadranttepp.com, 2003.
15. TICONA, “Asetal kopolimer (POM)”, TICONA Mühendislik Polimerleri Kataloğu, Đstanbul, 2001. 16. Pişkin, E., “Poliasetaller”, Polimerler II Mühendislik Polimerleri, Pagev, s. 53-66, Đstanbul, 2000. 17. LU, Z. P. and FRIEDRICH, K., “On Sliding Friction and Wear of PEEK and Its Composites”, Wear,
Vol. 181-183, pp. 624-631, 1995.
18. Ucun Đ., Aslantaş K.,Bedir F., “Đnconel 718 Süper Alaşımının Đşlenmesinde Kaplanmış Mikro Takımların Aşınma Davranışları Ve Performans Analizi” Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi, 2010, (7) 47-55
19. Yılmaz S.S., Ünlü B. S., Varol R., “Borlanmış ve Bilyalı Dövülmüş Demir Esaslı T/M Malzemelerin Aşınma ve Mekanik Özellikleri” Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi, 2008, (1) 7-16
20. Düzcükoğlu H., Demirci M. T., “ Östemperlenmiş Küresel Grafitli Dökme Demirlerin Aşınma Davranışlarının Đncelenmesi” Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi, 2008, (3) 21-31
21. Sugözü Đ., Mutlu Đ., “Fren Balata Malzemelerinin Sürtünme ve Aşınmaya Etkisinin Đncelenmesi” Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi, 2008, (4) 33-40
22. TEKNO POLĐMER, “Teklamid (PA 6/66)”, PolyOne Mühendislik Malzemeleri Kataloğu, Đstanbul, 2002.
23. BRISCOE, B. J., TWEEPALE, P. J., “A Critial Review of The Tribology of Polymers Composites”, In; Matthews F.L.,et al., editors, Proc. 6th In. Conf. Composite Materials. London: Elsevier Applied Science, 1987.
24. ASTRA POLĐMER, “Yüksek Performanslı Poliamid 46”, DSM Mühendislik Plastikleri Kataloğu, Đstanbul, 2002.
